KR20220110487A - Pulse generating circuit and electrosurgical generator including same - Google Patents

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일란 데이비스
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Abstract

본 발명은 생체 조직의 전기천공을 유발하기에 적합한 파형을 생성하기 위한 전기수술 발전기를 위한 바이폴라 펄스 생성 회로에 관한 것이다. 바이폴라 펄스 생성 회로는 스위칭 요소를 통해 부하에 연결 가능한 전압원, 및 유전체 물질에 의해 외부 전도체로부터 분리되는 내부 전도체를 갖는 동축 송전 선을 포함한다. 내부 전도체는 스위칭 요소의 입력과 전압원 사이에 연결된 제1 단부 및 개방 회로 상태의 제2 단부를 가지며, 이로써, 동축 송전 선은 스위칭 요소가 오프(OFF) 상태에 있을 때 전압원에 의해 충전되고 스위칭 요소가 온(ON) 상태에 있을 때 방전될 것이다. 상기 바이폴라 펄스 생성 회로는 상기 부하로 연결 가능한 제1 출력 - 제1 출력은 스위칭 요소의 출력과 접지 사이에 위치하여 동축 송전 선이 방전될 때 양의 펄스를 지원함 - , 및 상기 부하로 연결 가능한 제2 출력 - 제2 출력은 동축 송전 선의 외부 전도체와 접지 사이에 위치하여 동축 송전 선이 방전될 때 음의 펄스를 지원함 - 을 더 포함한다. 동축 송전 선의 임피던스는 (i) 스위칭 요소의 임피던스, (ii) 제1 출력에서의 부하의 임피던스, 및 (iii) 제2 출력에서의 부하의 임피던스의 합과 정합되도록 구성된다.The present invention relates to a bipolar pulse generating circuit for an electrosurgical generator for generating a waveform suitable for inducing electroporation of living tissue. A bipolar pulse generating circuit includes a coaxial power transmission line having a voltage source connectable to a load through a switching element, and an inner conductor separated from an outer conductor by a dielectric material. The inner conductor has a first end connected between the input of the switching element and a voltage source and a second end in an open circuit state, such that the coaxial transmission line is charged by the voltage source when the switching element is in an OFF state and the switching element It will be discharged when it is in the ON state. the bipolar pulse generating circuit comprises a first output connectable to the load, the first output being located between the output of a switching element and ground to support a positive pulse when the coaxial transmission line is discharged, and a first output connectable to the load The second output further includes a second output located between the outer conductor of the coaxial power line and ground to support a negative pulse when the coaxial power line is discharged. The impedance of the coaxial transmission line is configured to match the sum of (i) the impedance of the switching element, (ii) the impedance of the load at the first output, and (iii) the impedance of the load at the second output.

Description

펄스 생성 회로 및 이를 포함하는 전기수술 발전기Pulse generating circuit and electrosurgical generator including same

본 발명은 생체 조직의 전기천공(electroporation)을 유발하기에 적합한 파형을 생성하기 위한 전기수술 발전기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 전기수술 발전기를 위한 펄스 생성 회로에 관한 것으로, 여기서 펄스 생성 회로는 10ns 미만의 지속시간을 갖는 고전압 펄스를 생성하도록 구성된다.The present invention relates to an electrosurgical generator for generating a waveform suitable for inducing electroporation of living tissue. In particular, the present invention relates to a pulse generating circuit for an electrosurgical generator, wherein the pulse generating circuit is configured to generate a high voltage pulse having a duration of less than 10 ns.

전기수술 발전기는 개방 및 복강경 절차에서 사용되기 위해 병원 수술실 전체에 널리 퍼져 있으며 내시경 검사실에도 점점 더 많이 사용되고 있다. 내시경 절차에서 전기수술 액세서리는 일반적으로 내시경 내부의 루멘(lumen)을 통해 삽입된다. 복강경 수술을 위한 동등한 접근 채널에 대해 고려하면, 이러한 루멘은 구멍이 비교적 좁고 길이가 더 길다.Electrosurgical generators are widespread throughout hospital operating rooms for use in open and laparoscopic procedures, and are increasingly used in endoscopic laboratories as well. In endoscopic procedures, an electrosurgical accessory is typically inserted through a lumen inside the endoscope. Considering equivalent access channels for laparoscopic surgery, these lumens are relatively narrower and longer in length.

WO 2019/185331 A1은 생체 조직에 전기천공을 일으키는 파형으로 에너지를 공급할 수 있는 전기수술 발전기를 개시하고 있다. 전기수술 발전기는 치료를 위한 마이크로파 전자기 신호 및 무선주파수 전자기 신호를 생성하기 위한 수단이 통합된 전기천공 파형 공급 유닛을 포함할 수 있다. 전기수술 발전기는 공통 피드 케이블을 따라 상이한 유형의 에너지를 전달하도록 구성될 수 있다. 전기천공 파형 공급 유닛은 DC 전원 공급 장치와 DC 펄스 생성기를 포함한다. DC 전원 공급 장치는 조정 가능한 전압 공급 장치에 의해 출력된 전압을 상향 변환하기 위한 DC-DC 변환기를 포함할 수 있다. 각각의 DC 펄스는 1ns 내지 10ms의 지속 시간과 10V 내지 10kV의 최대 진폭을 가질 수 있다.WO 2019/185331 A1 discloses an electrosurgical generator capable of supplying energy with a waveform for causing electroporation in living tissue. The electrosurgical generator may comprise an electroporation waveform supply unit incorporating means for generating microwave electromagnetic signals and radiofrequency electromagnetic signals for treatment. The electrosurgical generator may be configured to deliver different types of energy along a common feed cable. The electroporation waveform supply unit includes a DC power supply and a DC pulse generator. The DC power supply may include a DC-DC converter for up-converting the voltage output by the adjustable voltage supply. Each DC pulse may have a duration of 1 ns to 10 ms and a maximum amplitude of 10 V to 10 kV.

최근 몇 년 동안 초단파 전기장 펄스 생성기가 많이 개발되었다[1]. 나노초 영역의 초단 전기장 펄스는 다양한 응용 분야를 가지고 있다. 응용 분야에는 입자 측정, 사진, 초광대역 레이더 검출 및 의료 응용 분야 등이 있다[2]-[3]. In recent years, many microwave electric field pulse generators have been developed [1]. Ultrashort electric field pulses in the nanosecond region have a variety of applications. Applications include particle measurement, photography, ultra-wideband radar detection, and medical applications [2]-[3].

2ns의 상승 및 하강 시간을 갖는 고진폭, 나노초 펄스형 전기장을 생성하는 방법이 많이 있다. 전통적으로, 동축 송전 선-기반 구현예, 가령, 스파크-갭, 막스(Marx) 뱅크, 또는 다이오드 및 레이저 개방 스위치 기법과 상관된 블룸레인(Blumlein)이 고전압 나노초 펄스를 생성하는 데 사용되어왔다[1]. There are many methods for generating high-amplitude, nanosecond pulsed electric fields with rise and fall times of 2 ns. Traditionally, coaxial transmission line-based implementations such as spark-gap, Marx bank, or Bloomlein correlated with diode and laser open switch techniques have been used to generate high voltage nanosecond pulses [ One].

가장 일반적으로, 본 발명은 생체 세포의 전기천공을 유발하기에 적합한 10ns 미만의 지속시간을 갖는 고전압 펄스를 생성하도록 구성된 전기수술 발전기를 위한 펄스 생성 회로를 제공한다. 특히, 본 명세서에 개시된 펄스 생성 회로는 '플랫-탑' 프로파일을 나타내는, 즉, 최소 링잉으로 가파른(예를 들어, 2ns 미만) 상승 및 하강 시간을 갖는 바이폴라 펄스를 생성하는 데 적합할 수 있다. 아래에서 더 자세히 설명될 바와 같이, 이는 송전 선 및 고속 스위칭 요소에 상대적인 적절한 위치에 한 쌍의 (양 및 음의 펄스를 위한) 부하 출력을 배치하는 것과 함께 개방 회로 송전 선 기법을 통해 달성될 수 있다.Most generally, the present invention provides a pulse generating circuit for an electrosurgical generator configured to generate a high voltage pulse having a duration of less than 10 ns suitable for inducing electroporation of living cells. In particular, the pulse generation circuit disclosed herein may be suitable for generating bipolar pulses exhibiting a 'flat-top' profile, ie, with steep (eg, less than 2 ns) rise and fall times with minimal ringing. As will be explained in more detail below, this can be achieved through open circuit transmission line techniques, along with placing a pair of load outputs (for positive and negative pulses) in appropriate locations relative to the transmission line and high-speed switching elements. have.

본 발명에 따르면 전기수술 발전기를 위한 바이폴라 펄스 생성 회로가 제공되며, 상기 바이폴라 펄스 생성 회로는 스위칭 요소를 통해 부하로 연결 가능한 전압원, 유전체 물질에 의해 외부 전도체와 분리된 내부 전도체를 갖는 동축 송전 선 - 상기 내부 전도체는 스위칭 요소의 입력과 전압원 사이에 연결된 제1 단부 및 개방 회로 상태의 제2 단부를 가짐으로써, 동축 송전 선이 스위칭 요소가 오프(OFF) 상태일 때 전압원에 의해 충전되고 스위칭 요소가 온(ON) 상태일 때 방전됨 - , 상기 부하로 연결 가능한 제1 출력 - 제1 출력은 스위칭 요소의 출력과 접지 사이에 위치하여 동축 송전 선이 방전될 때 양의 펄스를 지원함 - , 및 상기 부하로 연결 가능한 제2 출력 - 제2 출력은 동축 송전 선의 외부 전도체와 접지 사이에 위치하여 동축 송전 선이 방전될 때 음의 펄스를 지원함 - 을 포함하고, 동축 송전 선의 임피던스가 (i) 스위칭 요소의 임피던스, (ii) 제1 출력에서의 부하의 임피던스, 및 (iii) 제2 출력에서의 부하의 임피던스의 합과 정합되도록 구성된다. 이 구조를 이용해, 회로는 펄스의 양 및 음의 부분이 대칭인 초단(가령, 10ns 미만의) 지속시간의 바이폴라 펄스를 생성할 수 있다. 임피던스들을 정합함으로써 반사가 최소화되거나 제거됨이 보장된다. 이 회로 구성은 (동축 송전 선의 길이에 의해 제어되는) 짧은 지속시간을 갖는 (정합된 임피던스 상태로 인한) 플랫 탑 펄스를 생성할 수 있다.According to the present invention there is provided a bipolar pulse generating circuit for an electrosurgical generator, the bipolar pulse generating circuit comprising a voltage source connectable to a load through a switching element, a coaxial transmission line having an inner conductor separated from an outer conductor by a dielectric material - The inner conductor has a first end connected between the input of the switching element and a voltage source and a second end in an open circuit state such that the coaxial transmission line is charged by the voltage source when the switching element is in an OFF state and the switching element is in an OFF state. discharged when ON, a first output connectable to the load, the first output being located between the output of a switching element and ground to support a positive pulse when the coaxial power line is discharged, and the a second output connectable to a load, the second output being located between the outer conductor of the coaxial transmission line and ground to support a negative pulse when the coaxial transmission line is discharged, wherein the impedance of the coaxial transmission line is (i) a switching element; is configured to match the sum of the impedance of (ii) the impedance of the load at the first output, and (iii) the impedance of the load at the second output. Using this structure, the circuit can generate bipolar pulses of very short (eg, less than 10 ns) duration in which the positive and negative portions of the pulse are symmetrical. Matching the impedances ensures that reflections are minimized or eliminated. This circuit configuration is capable of producing flat top pulses (due to matched impedance states) with short durations (controlled by the length of the coaxial transmission line).

하나의 예를 들면, 딜레이 라인이 제1 출력 또는 제2 출력에 연결될 수 있음으로써, 제1 출력 및 제2 출력에서의 양의 펄스 및 음의 펄스의 공급이 순차적으로 발생한다. 예를 들어, 딜레이 라인은 동축 송전 선의 외부 전도체와 제2 출력 사이에 연결될 수 있다. 양의 펄스의 시작부분에 대해 제2 출력에서 음의 펄스가 나타나는 양을 제어하기 위해 딜레이 라인의 길이가 선택 가능(또는 조정 가능)하다. 출력 바이폴라 파형의 프로파일의 완전한 제어를 제공하기 위해 제1 출력 및 제2 출력 각각에 연결된 딜레이 라인을 포함하는 것이 가능하다. 구체적으로, 양 및 음의 펄스의 간격이 독립적으로 제어될 수 있도록 조정 가능한 길이를 갖는 딜레이 라인을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 딜레이 라인은 임의의 적절한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 또 다른 길이의 동축 송전 선일 수 있다.As one example, a delay line may be connected to either the first output or the second output, such that the supply of positive and negative pulses at the first output and the second output occurs sequentially. For example, a delay line may be connected between the second output and the outer conductor of the coaxial power transmission line. The length of the delay line is selectable (or adjustable) to control how much a negative pulse appears in the second output for the beginning of a positive pulse. It is possible to include a delay line connected to each of the first output and the second output to provide full control of the profile of the output bipolar waveform. Specifically, it may be desirable to provide a delay line having an adjustable length so that the spacing of the positive and negative pulses can be controlled independently. The delay line may have any suitable structure. For example, it could be another length of coaxial power transmission line.

스위칭 요소는 복수의 직렬 연결된 애벌랜치 트랜지스터(avalanche transistor), 및 복수의 직렬 연결된 애벌랜치 트랜지스터를 활성화하기 위해 트리거 펄스를 생성하도록 구성된 트리거 펄스 생성기를 포함할 수 있다. 이로 인해 양 및 음의 펄스가 직렬 연결된 애벌랜치 트랜지스터의 캐스캐이딩 효과 때문에 초단 상승 및 하강 시간 및 전기천공에 적합한 진폭을 가질 수 있다. 특히, 출력의 진폭은 복수의 직렬 연결된 애벌랜치 트랜지스터 중 임의의 애벌랜치 트랜지스터 양단의 콜렉터-베이스 항복 전압을 초과하지 않고, 500V 이상, 가령, 1kV 이상일 수 있다.The switching element may include a plurality of series-connected avalanche transistors, and a trigger pulse generator configured to generate a trigger pulse to activate the plurality of series-connected avalanche transistors. This allows positive and negative pulses to have very short rise and fall times and amplitudes suitable for electroporation due to the cascading effect of series-connected avalanche transistors. In particular, the amplitude of the output may be 500V or greater, such as 1kV or greater, without exceeding the collector-base breakdown voltage across any of the plurality of series-connected avalanche transistors.

동축 송전 선은 5ns 이하의 라인 딜레이를 제공하도록 선택된 길이를 가질 수 있다. 펄스 지속시간은 라인 딜레이의 두 배이며, 따라서 출력 펄스가 10 ns 이하의 지속시간을 가질 수 있다.The coaxial transmission line may have a length selected to provide a line delay of 5 ns or less. The pulse duration is twice the line delay, so the output pulse can have a duration of 10 ns or less.

동축 송전 선이 높은 임피던스, 가령, 1 MΩ을 갖는 저항기를 통해 전압원에 의해 충전될 수 있다. 따라서 회로는 스위칭 요소가 오프(OFF) 상태일 때 제1 루프를 포함하고 스위칭 요소가 온(ON) 상태일 때 제2 루프를 포함하는 것으로 간주될 수 있다. 제1 루프에서, 전류가 전압원으로부터 저항기를 통해 흘러 동축 송전 선을 충전할 수 있다. 제2 루프에서, 전류가 동축 송전 선으로부터 스위칭 요소를 통해 부하로 흐른다.A coaxial transmission line can be charged by a voltage source through a resistor with high impedance, for example 1 MΩ. The circuit can thus be considered to include a first loop when the switching element is in an OFF state and a second loop when the switching element is in an ON state. In the first loop, current may flow from a voltage source through the resistor to charge the coaxial power line. In the second loop, current flows from the coaxial transmission line through the switching element to the load.

트리거 펄스가 TTL 신호를 포함할 수 있다. 트리거 펄스 생성기는 이러한 신호를 생성하기에 적합한 임의의 소스, 가령, 마이크로프로세서 등일 수 있다. 트리거 펄스는 복수의 애벌랜치 트랜지스터 각각의 이미터-베이스 항복 전압보다 낮은 전압을 가질 수 있다. 트리거 펄스의 지속시간은 동축 송전 선으로부터의 펄스의 지속시간보다 길어서, 동축 송전 선이 완전히 방전하기에 충분히 오래 스위칭 요소가 온(ON) 상태에 있음을 보장할 수 있다. 하나의 예에서, 트리거 펄스는 5V의 전압 및 600ns의 지속시간을 가진다.The trigger pulse may include a TTL signal. The trigger pulse generator may be any source suitable for generating such a signal, such as a microprocessor or the like. The trigger pulse may have a voltage lower than the emitter-base breakdown voltage of each of the plurality of avalanche transistors. The duration of the trigger pulse may be longer than the duration of the pulse from the coaxial power line to ensure that the switching element is in the ON state long enough for the coaxial power line to fully discharge. In one example, the trigger pulse has a voltage of 5V and a duration of 600ns.

트리거 펄스 생성기는 변압기를 통해 복수의 직렬 연결된 애벌랜치 트랜지스터에 연결될 수 있다. 이는 트리거 신호가 베이스와 이미터 간에 부동(floating)이며, 따라서 트랜지스터를 통하고 부하 상의 전압에 독립적이다. 하나의 예에서, 트리거 펄스는 복수의 직렬 연결된 애벌랜치 트랜지스터 중 첫 번째 트랜지스터의 콜렉터와 이미터 사이에 인가될 수 있다. 상기 첫 번째 트랜지스터는 동축 송전 선에서 가장 먼 트랜지스터일 수 있다.The trigger pulse generator may be coupled to a plurality of series-connected avalanche transistors via a transformer. This means that the trigger signal is floating between the base and emitter, and thus is independent of the voltage across the transistor and on the load. In one example, the trigger pulse may be applied between the collector and the emitter of a first transistor of the plurality of series-connected avalanche transistors. The first transistor may be the one farthest from the coaxial transmission line.

다이오드가 상기 복수의 직렬 연결된 애벌랜치 트랜지스터의 각각의 애벌랜치 트랜지스터와 병렬로 연결될 수 있어서, 각각의 트랜지스터 양단의 전압을 이의 콜렉터-베이스 항복 전압보다 낮게 클램핑할 수 있다. 이는 트랜지스터를 보호한다.A diode may be coupled in parallel with each avalanche transistor of the plurality of series coupled avalanche transistors to clamp the voltage across each transistor below its collector-base breakdown voltage. This protects the transistor.

전압원의 전압이 트랜지스터 간에 균등하게 나눠지도록 복수의 직렬 연결된 애벌랜치 트랜지스터 내 각각의 트랜지스터가 동일할 수 있다. Each transistor in the plurality of series-connected avalanche transistors may be identical so that the voltage of the voltage source is equally divided among the transistors.

앞서 언급된 바와 같이, 본 발명은 전기수술에서 사용되기에 특히 적합하다. 따라서 부하는 생체 조직의 전기천공을 위한 모노폴라 펄스를 전달할 수 있는 전기수술 기기를 포함한다.As mentioned above, the present invention is particularly suitable for use in electrosurgery. The load thus includes an electrosurgical instrument capable of delivering monopolar pulses for electroporation of living tissue.

또 다른 예에서, 본 발명은 앞서 제공된 바와 같이 펄스 생성 회로를 갖는 전기수술 생성기를 제공할 수 있다. 펄스 생성 회로가 전기천공 파형, 즉, 생체 조직의 전기천공을 야기하기에 적합한 에너지의 버스트를 생성하도록 구성될 수 있다. 전기천공 파형은 하나 이상의 신속한 고 전압 펄스를 포함할 수 있다. 각각의 펄스는 1ns 내지 10μs, 바람직하게는 1ns 내지 10ns의 펄스 폭을 가질 수 있지만, 본 발명은 이들 범위에 한정될 필요는 없다. 더 짧은 지속시간의 펄스(가령, 10ns 이하)가 가역적 전기천공을 위해 선호될 수 있다. In another example, the present invention may provide an electrosurgical generator having a pulse generating circuit as provided above. The pulse generating circuit may be configured to generate an electroporation waveform, ie, a burst of energy suitable to cause electroporation of biological tissue. The electroporation waveform may include one or more rapid high voltage pulses. Each pulse may have a pulse width of 1 ns to 10 μs, preferably 1 ns to 10 ns, although the present invention need not be limited to these ranges. Pulses of shorter duration (eg, 10 ns or less) may be preferred for reversible electroporation.

바람직하게는, 각각의 펄스의 상승 시간이 펄스 지속시간의 90% 이하이고, 더 바람직하게는 펄스 지속시간의 50% 이하이며, 가장 바람직하게는 펄스 지속시간의 10% 이하이다. Preferably, the rise time of each pulse is no more than 90% of the pulse duration, more preferably no more than 50% of the pulse duration, and most preferably no more than 10% of the pulse duration.

각각의 펄스는 10V 내지 10kV, 바람직하게는, 1kV 내지 10kV의 진폭을 가질 수 있다. 각각의 펄스는 접지 전위로부터의 양의 펄스일 수 있다.Each pulse may have an amplitude of 10V to 10kV, preferably 1kV to 10kV. Each pulse may be a positive pulse from ground potential.

전기천공 파형이 단일 펄스 또는 복수의 펄스, 가령, 주기 트레인의 펄스일 수 있다. 파형은 50% 이하, 가령, 0.5% 내지 50%의 듀티 사이클을 가질 수 있다.The electroporation waveform may be a single pulse or a plurality of pulses, such as pulses of a periodic train. The waveform may have a duty cycle of 50% or less, such as between 0.5% and 50%.

본 발명의 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 설명된다.
도 1은 이상적인 스위치를 갖는 방전 라인 생성기의 원리를 예시하는 개략도이다.
도 2a는 도 1의 (i) 송전 선 및 (ii) 부하에서의 전압 파형을 나타내는 그래프이다.
도 3a는 DC 모델에서 도 1의 개방 회로 송전 선을 나타내는 개략도이다.
도 3b는 송전 선 모델에서 도 1의 개방 회로 송전 선을 나타내는 개략도이다.
도 4는 양의 초단 전기장 펄스를 생성하기 위해 애벌랜치 트랜지스터를 갖는 도 1의 개방 회로 송전 선을 보여주는 개략도이다.
도 5는 모노폴라 초단 전기장 펄스 생성기의 시뮬레이션된 LTSpice 회로의 다이어그램이다.
도 6은 도 5의 LTSpice 회로로부터 생성된 다양한 지속시간의 펄스를 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 5의 회로로부터의, 정합된 35Ω 부하로 관찰된 모노폴라 양의 펄스이다.
도 8는 음의 초단 전기장 펄스를 생성하기 위해 애벌랜치 트랜지스터를 갖는 도 1의 개방 회로 송전 선을 보여주는 개략도이다.
도 9는 음의 펄스를 생성하도록 구성된 모노폴라 초단 전기장 펄스 생성기의 시뮬레이션된 LTSpice 회로의 다이어그램이다.
도 10은 도 9의 회로로부터의, 정합된 35Ω 부하로 관찰된 모노폴라 음의 펄스이다.
도 11a는 딜레이 라인이 없는 바이폴라 초단 전기장 펄스 생성기의 시뮬레이션된 LTSpice 회로의 다이어그램이다.
도 11b는 부하 전에 딜레이 라인을 갖는 바이폴라 초단 전기장 펄스 생성기의 시뮬레이션된 LTSpice 회로의 다이어그램이다.
도 12a는 도 11a의 회로의 다양한 지점에서 관찰된 전압을 나타내는 그래프이다.
도 12b는 도 11a의 회로의 다양한 지점에서 관찰된 전압을 나타내는 그래프이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Embodiments of the present invention are described below with reference to the accompanying drawings.
1 is a schematic diagram illustrating the principle of a discharge line generator with an ideal switch.
FIG. 2A is a graph showing voltage waveforms in (i) a power transmission line and (ii) a load of FIG. 1 .
Fig. 3a is a schematic diagram showing the open circuit power transmission line of Fig. 1 in a DC model;
Fig. 3b is a schematic diagram showing the open circuit transmission line of Fig. 1 in a transmission line model;
FIG. 4 is a schematic diagram showing the open circuit power line of FIG. 1 with avalanche transistors to generate positive ultrashort electric field pulses;
5 is a diagram of a simulated LTSpice circuit of a monopolar ultrashort electric field pulse generator.
FIG. 6 is a graph illustrating pulses of various durations generated from the LTSpice circuit of FIG. 5;
FIG. 7 is a monopolar positive pulse observed with a matched 35Ω load, from the circuit of FIG. 5 .
8 is a schematic diagram showing the open circuit power line of FIG. 1 with an avalanche transistor to generate a negative ultrashort electric field pulse;
9 is a diagram of a simulated LTSpice circuit of a monopolar ultrashort electric field pulse generator configured to generate a negative pulse.
FIG. 10 is a monopolar negative pulse observed with a matched 35Ω load, from the circuit of FIG. 9 .
11A is a diagram of a simulated LTSpice circuit of a bipolar ultrashort electric field pulse generator without a delay line.
11B is a diagram of a simulated LTSpice circuit of a bipolar ultrashort electric field pulse generator with a delay line before load.
12A is a graph showing voltages observed at various points in the circuit of FIG. 11A.
12B is a graph showing voltages observed at various points in the circuit of FIG. 11A.

최소 저항과 션트 컨덕턴스를 갖는 분산된 직렬 인덕터 및 션트 커패시터로 구성된 하이-Q 저장 요소로서 개방 회로 동축 송전 선을 이용함으로써 초단 펄스(ultra-short pulse)를 생성하는 것이 가능하다. 고속 스위칭 요소를 통해 개방 단부 딜레이 라인을 방전하는 것이 간단하고 저렴한 방식으로 2ns 미만의 가파른 하강 시간을 갖는 '플랫-탑' 사각 펄스를 생성하는 수단을 제공한다. 특성 임피던스,

Figure pct00001
,
Figure pct00002
의 길이, 및 유전 상수
Figure pct00003
를 갖는 동축 송전 선이 고 임피던스 저항기
Figure pct00004
를 통해 전압 레벨
Figure pct00005
까지 충전된다. 선은 다음의 수학식에 의해 주어진 연관된 딜레이 시간
Figure pct00006
을 가질 것이다:It is possible to generate ultra-short pulses by using an open circuit coaxial transmission line as a high-Q storage element consisting of a distributed series inductor and shunt capacitor with minimum resistance and shunt conductance. Discharging an open-ended delay line through a fast switching element provides a means to generate a 'flat-top' square pulse with a steep fall time of less than 2 ns in a simple and inexpensive manner. characteristic impedance,
Figure pct00001
,
Figure pct00002
length, and dielectric constant
Figure pct00003
A coaxial transmission line with a high impedance resistor
Figure pct00004
voltage level through
Figure pct00005
is charged up to The line is the associated delay time given by
Figure pct00006
will have:

Figure pct00007
Figure pct00007

여기서

Figure pct00008
는 빛의 속도(2.99Х108 m/s)이다.here
Figure pct00008
is the speed of light (2.99Х10 8 m/s).

이로부터 송전 선과 연관된 펄스 지속시간이 다음과 같음이 도출된다:From this it is derived that the pulse duration associated with the transmission line is:

Figure pct00009
Figure pct00009

스위칭 요소를 폐쇄함으로써,

Figure pct00010
를 통해 송전 선을 방전시킴으로써, 초단 전기장 펄스가 부하,
Figure pct00011
에서 생성될 수 있다. 송전 선이 펄스 지속시간(또는 폭) 및 하강 시간을 결정하는 동안 스위칭 요소는 초단 전기장 펄스의 상승 시간을 결정한다.By closing the switching element,
Figure pct00010
By discharging the transmission line through
Figure pct00011
can be created in While the transmission line determines the pulse duration (or width) and fall time, the switching element determines the rise time of the ultrashort electric field pulse.

앞서 설명된 바와 같이, 부하에서의 펄스의 지속시간은 송전 선의 연관된 딜레이 시간의 두 배일 것이다. As explained above, the duration of the pulse at the load will be twice the associated delay time of the transmission line.

도 1은 스위칭 요소로서 이상적인 스위치를 갖는 개방 회로 송전 선 기법의 원리를 예시한다.1 illustrates the principle of an open circuit power transmission line technique with an ideal switch as a switching element.

도 2는 (i) 송전 선

Figure pct00012
및 (ii) 부하
Figure pct00013
에서의 도 1의 시스템으로부터 획득된 전압 파형을 보여준다.2 is (i) a power transmission line
Figure pct00012
and (ii) load
Figure pct00013
shows the voltage waveform obtained from the system of FIG.

송전 선

Figure pct00014
및 부하
Figure pct00015
의 특성 임피던스 간 관계가 개방 회로 동축 송전 선 기법의 성능에 두 가지 방식으로 중요하며, 이는 직접 회로(DC) 이론 및 송전 선 이론을 이용해 구성을 모델링함으로써 이해될 수 있다.transmission line
Figure pct00014
and load
Figure pct00015
The relationship between the characteristic impedances of is important in two ways for the performance of the open circuit coaxial transmission line technique, which can be understood by modeling the configuration using integrated circuit (DC) theory and transmission line theory.

DC 이론에서, 도 3a에 도시된 바와 같이

Figure pct00016
Figure pct00017
간 관계가 전위 분압기(potential divider)를 모방한다. 이들 관계는 부하에서의 펄스 폭
Figure pct00018
을 결정한다:In DC theory, as shown in Fig. 3a
Figure pct00016
Wow
Figure pct00017
The interrelationship mimics a potential divider. These relationships are the pulse width at the load
Figure pct00018
to determine:

Figure pct00019
Figure pct00019

임피던스

Figure pct00020
Figure pct00021
와 동일한 경우, 부하에서의 펄스의 최대 진폭
Figure pct00022
이 송전 선이 충전되는 전압의 절반일 것이다:impedance
Figure pct00020
go
Figure pct00021
If equal to, the maximum amplitude of the pulse at the load
Figure pct00022
This will be half the voltage at which the transmission line is charged:

Figure pct00023
인 때,
Figure pct00024
Figure pct00023
when it is,
Figure pct00024

송전 선 모델을 이용해, 시스템은 도 3b에 도시된 바와 같이 표현될 수 있다. 이 모델에서,

Figure pct00025
Figure pct00026
간 관계가 반사 계수를 결정하고, 따라서 부하에서의 펄스 형태를 결정한다.
Figure pct00027
Figure pct00028
와 동일한 경우, 반사 계수가 0일 것이며 일차 펄스 어떠한 이차 펄스 또는 반사도 부하에서 보여지지 않을 것이다.Using the transmission line model, the system can be represented as shown in Figure 3b. In this model,
Figure pct00025
Wow
Figure pct00026
The relationship between the two determines the reflection coefficient and thus the shape of the pulse at the load.
Figure pct00027
go
Figure pct00028
, the reflection coefficient will be zero and no secondary pulses or reflections will be seen in the load.

Figure pct00029
Figure pct00029

따라서,

Figure pct00030
Figure pct00031
의 관계가 부하에서의 펄스의 두 개의 핵심 양태를 결정한다: (i) 펄스 진폭, 및 (ii) (임의의 반사에 의해 야기된) 펄스 형태. 상기의 분석으로부터, 송전 선
Figure pct00032
및 부하
Figure pct00033
의 최상 펄스 형태 및 파라미터, 특성 임피던스가 정합될 것이다.therefore,
Figure pct00030
Wow
Figure pct00031
The relationship of s determines two key aspects of the pulse at the load: (i) pulse amplitude, and (ii) pulse shape (caused by random reflections). From the above analysis, the transmission line
Figure pct00032
and load
Figure pct00033
The best pulse shape and parameters of , and characteristic impedance will be matched.

펄스의 그 밖의 다른 특징이 회로의 다른 파라미터에 의해 제어된다. 예를 들어, 펄스 상승시간이 스위칭 요소의 거동에 의해 결정되며, 펄스 폭은, 앞서 언급된 바와 같이 송전 선의 길이에 의해 결정된다. Other characteristics of the pulse are controlled by other parameters of the circuit. For example, the pulse rise time is determined by the behavior of the switching element, and the pulse width, as mentioned above, is determined by the length of the transmission line.

본 발명의 실시예에서의 이 스위칭 요소가 애벌랜치 트랜지스터의 적층된 어레이에 의해 제공되는 것이 바람직하다. 애벌랜치 트랜지스터는 300ps의 상승 시간을 갖는 고 전압의 신뢰할 만하고 반복 가능한 고속 스위칭을 제공하는 것으로 알려져 있으며, 이는 회로 구현 시 마이크로파 구성요소 레이아웃 기법이 고려될 때 실제로 구현될 수 있다. 애벌랜치 트랜지스터는 바이폴라 정션 트랜지스터의 음-저항 특성 영역을 이용하고, 이는 공통-이미터 항복 영역에서의 동작으로부터 도출된다. 베이스 전류

Figure pct00034
= 0 A이고 이미터 전류
Figure pct00035
= 0 A일 때 콜렉터 이미터(
Figure pct00036
)와 콜렉터 베이스(
Figure pct00037
) 전압 사이에 애벌랜치 영역이 존재한다.Preferably, this switching element in an embodiment of the invention is provided by a stacked array of avalanche transistors. Avalanche transistors are known to provide reliable, repeatable, high-speed switching of high voltages with a rise time of 300 ps, which can be implemented in practice when microwave component layout techniques are considered in circuit implementation. The avalanche transistor utilizes the negative-resistive characteristic region of a bipolar junction transistor, which is derived from operation in the common-emitter breakdown region. base current
Figure pct00034
= 0 A and emitter current
Figure pct00035
= 0 when the collector emitter (
Figure pct00036
) and collector base (
Figure pct00037
), there is an avalanche region between the voltages.

도 4는 고속 스위칭 요소로서 애벌랜치 트랜지스터와 조합하여 개방 회로 송전 선 기법을 이용하는 펄스 생성 회로(100)의 개략도이다. 회로 기능은 애벌랜치 트랜지스터를 가로질러 부하

Figure pct00038
로의 개방-회로 송전 선의 방전에 기초한다.4 is a schematic diagram of a pulse generation circuit 100 using an open circuit power transmission line technique in combination with an avalanche transistor as a fast switching element. The circuit functions load across the avalanche transistor
Figure pct00038
It is based on the discharge of an open-circuit transmission line into a furnace.

단일 애벌랜치 트랜지스터 회로는 바이-스테이블 동작(bi-stable operation)을 갖도록 구성될 수 있으며, 이때,

Figure pct00039
인 경우 출력에서의 최대 펄스 진폭이 트랜지스터의 콜렉터-이미터 항복 전압
Figure pct00040
의 값의 절반으로 한정된다. 트랜지스터의
Figure pct00041
보다 높은 공급 전압
Figure pct00042
이 영구적으로 항복할 것이며 스위칭 요소로서의 애벌랜치 트랜지스터를 손상시킬 것이다. A single avalanche transistor circuit may be configured to have bi-stable operation, wherein:
Figure pct00039
If the maximum pulse amplitude at the output is the collector-emitter breakdown voltage of the transistor
Figure pct00040
is limited to half the value of transistor's
Figure pct00041
higher supply voltage
Figure pct00042
This will permanently yield and damage the avalanche transistor as a switching element.

먼저, 에너지가 루프 1에서 작은 전류 흐름을 통해 동축 송전 선에 저장된다. 트랜지스터의 베이스 상의 양의 트리거(positive trigger)가 트랜지스터를 갑작스럽게 '온(on)'으로 스위칭할 것이다. 송전 선에 저장된 에너지가 동시에 루프 2를 따라 높은 전류로서 방출될 것이며, 이는

Figure pct00043
상에 펄스를 생성한다. 베이스 상의 트리거의 폭이
Figure pct00044
, 즉, 부하에서 필요한 펄스 폭보다 길다.First, energy is stored in the coaxial transmission line through a small current flow in loop 1. A positive trigger on the base of the transistor will abruptly switch the transistor 'on'. The energy stored in the transmission line will be simultaneously released as a high current along loop 2, which
Figure pct00043
generate a pulse on the the width of the trigger on the base
Figure pct00044
, that is, longer than the required pulse width at the load.

도 5는 본 발명의 하나의 실시예인 펄스 생성 회로(200)를 도시한다. 펄스 생성 회로(200)는 단일 애벌랜치 트랜지스터 대신, 복수의(이 예시의 경우 5개의) 직렬 연결된 애벌랜치 트랜지스터가 있는 점을 제외하며, 도 4에 도시된 회로와 유사하다. 복수의 직렬-연결된 애벌랜치 트랜지스터가 단일 애벌랜치 트랜지스터로서 조합되어 효과적으로 동작한다. 이는 개방-회로 송전 선의 방전이 적층된 트랜지스터를 가로질러 부하로 이뤄져서, 부하에서 비교적 높은 펄스 진폭을 야기하는 캐스케이드 효과를 야기한다. 이 예에서, 공급 전압

Figure pct00045
이 직렬 체인 내 각각의 애벌랜치 트랜지스터에 걸쳐 동일하게 분산되도록 각각의 애벌랜치 트랜지스터가 동일하다.5 shows a pulse generating circuit 200 which is one embodiment of the present invention. Pulse generation circuit 200 is similar to the circuit shown in FIG. 4 except that instead of a single avalanche transistor, there are a plurality (five in this example) series-connected avalanche transistors. A plurality of series-connected avalanche transistors are effectively combined and operated as a single avalanche transistor. This causes a cascade effect in which the discharge of an open-circuit power line is made across the stacked transistors to the load, resulting in a relatively high pulse amplitude at the load. In this example, the supply voltage
Figure pct00045
Each avalanche transistor is identical so that it is distributed equally across each avalanche transistor in this series chain.

이 배열에서, 생성될 수 있는 최대 펄스 진폭이 적층된 애벌랜치 트랜지스터의 수

Figure pct00046
에 따라 달라진다. 특정 펄스 진폭
Figure pct00047
을 생성하는 데 요구되는 애벌랜치 트랜지스터의 수가 다음과 같이 표현될 수 있다In this arrangement, the maximum pulse amplitude that can be generated is the number of stacked avalanche transistors.
Figure pct00046
depends on specific pulse amplitude
Figure pct00047
The number of avalanche transistors required to generate

Figure pct00048
Figure pct00048

여기서

Figure pct00049
는 각각의 애벌랜치 트랜지스터의 콜렉터-베이스 항복 전압이다.
Figure pct00050
인 경우, 따라서, 최대 펄스 진폭
Figure pct00051
이 다음과 같이 표현될 수 있다here
Figure pct00049
is the collector-base breakdown voltage of each avalanche transistor.
Figure pct00050
If , then, the maximum pulse amplitude
Figure pct00051
This can be expressed as

Figure pct00052
Figure pct00052

펄스 생성 회로(200)에서 5개의 FMMT417 애벌랜치 트랜지스터가 적층된다. 각각의 트랜지스터는 100V의 콜렉터-이미터 항복 전압

Figure pct00053
및 320V의 콜렉터-베이스 항복 전압
Figure pct00054
을 가진다. 도 5에 도시된 회로는 LTSpice 모델을 이용해 시뮬레이션되었다. FMMT417의 Spice 모델이 제조업체의 웹사이트로부터 직접 얻어졌다. 소스 저항
Figure pct00055
이 1 MΩ이고, 송전 선의 특성 임피던스
Figure pct00056
가 50 Ω이며, 소스 전압
Figure pct00057
이 1.5kV이다.Five FMMT417 avalanche transistors are stacked in the pulse generating circuit 200 . Each transistor has a collector-emitter breakdown voltage of 100V.
Figure pct00053
and a collector-base breakdown voltage of 320V.
Figure pct00054
have The circuit shown in Fig. 5 was simulated using the LTSpice model. A Spice model of the FMMT417 was obtained directly from the manufacturer's website. source resistance
Figure pct00055
This is 1 MΩ, and the characteristic impedance of the transmission line
Figure pct00056
is 50 Ω, and the source voltage
Figure pct00057
This is 1.5 kV.

회로는 전압을 클램핑하기 위해 각각의 트랜지스터와 병렬로 연결된 다이오드(도시되지 않음)를 포함하여, 각각의 트랜지스터 양단의 전압이 이의 콜렉터-베이스 항복 전압을 초과하지 않음을 보장할 수 있다. 이렇게 함으로써, 트랜지스터의 수명이 증가될 수 있고 트리거 신호에 의해 트리거링이 발생함이 보장된다. The circuit may include a diode (not shown) connected in parallel with each transistor to clamp the voltage to ensure that the voltage across each transistor does not exceed its collector-base breakdown voltage. By doing so, the lifetime of the transistor can be increased and it is ensured that triggering occurs by the trigger signal.

트리거 신호는 임의의 적절한 소스에 의해 제공될 수 있다. 바람직하게는 트리거 신호가 TTL 소스 또는 마이크로제어기에 의해 생성된다. 이 예에서, 트리거 신호는 600ns의 지속시간 및 5V 진폭 및 20ms의 펄스 주기(반복 주기)를 포함한다. 트랜지스터의 이미터-베이스 항복 전압 미만이기 때문에 5V 트리거 신호를 갖는 것이 바람직하다.The trigger signal may be provided by any suitable source. Preferably the trigger signal is generated by a TTL source or microcontroller. In this example, the trigger signal has a duration of 600 ns and an amplitude of 5 V and a pulse period (repeat period) of 20 ms. It is desirable to have a 5V trigger signal because it is below the emitter-base breakdown voltage of the transistor.

트리거 신호의 펄스 폭이 송전 선으로부터 생성되기를 바라는 펄스보다 길도록 배열된다. 이 경우 600ns의 지속시간이 선택되어 전체 송전 선이 방전될 수 있도록 하는 안전한 마진을 제공할 수 있다.It is arranged so that the pulse width of the trigger signal is longer than the pulse desired to be generated from the power line. In this case, a duration of 600 ns can be chosen to provide a safe margin to allow the entire transmission line to discharge.

트리거 신호 반복율(펄스 주기)이 개방-회로 충전된 송전 선이 전체 용량까지 다시 충전되는 데 걸리는 시간에 의해 제한된다.The trigger signal repetition rate (pulse period) is limited by the time it takes an open-circuit charged transmission line to recharge to full capacity.

트리거 신호 생성기와 적층 내 첫 번째 트랜지스터(즉, 송전 선에서 가장 먼 트랜지스터)의 베이스와 이미터 사이에 변압기가 배치된다. 이 구성은 트리거 펄스가 부동이고, 따라서 트랜지스터를 통해 부하 상으로의 전압에 무관하게 첫 번째 트랜지스터의 베이스와 이미터 사이에서 동일해야 함을 의미한다. 따라서,부하에서의 펄스의 진폭이 적층 내 트랜지스터의 수에 따라 선형으로 증가해야 한다. 변압기는 1:1 권선 비 및 고 전압 절연을 갖는 1-EMR-046 게이트 드라이브 변압기일 수 있다.A transformer is placed between the trigger signal generator and the base and emitter of the first transistor in the stack (ie, the transistor furthest from the transmission line). This configuration means that the trigger pulse is floating and therefore must be the same between the base and emitter of the first transistor regardless of the voltage across the transistor onto the load. Therefore, the amplitude of the pulses at the load should increase linearly with the number of transistors in the stack. The transformer may be a 1-EMR-046 gate drive transformer with a 1:1 turns ratio and high voltage isolation.

사용 중에, 5개의 적층된 애벌랜치 트랜지스터는 초기에 오프-상태 있으며, 각각의 트랜지스터는 자신 양단에 300V를 가진다(즉,

Figure pct00058
). 양의 트리거 신호가 첫 번째 트랜지스터 Q1의 베이스에 적용될 때, Q1은 '온(on)'이 되고 자신의 콜렉터 전압을 접지 전위에 가깝게 만든다. 이로 인해 제2 트랜지스터 Q2가 콜렉터-이미터 전압의 두 배를 갖고, 따라서 과전압의 측면에서 바람직한 상태를 만듦으로써 Q2의 비-파괴적 애벌랜칭을 야기하고 자신의 콜렉터를 접지 전위에 가깝게 만든다. 이는 체인의 다음 트랜지스터에 순차적인 '노크온(knock-on)' 효과를 생성하여 첫 번째 애벌런치 트랜지스터 Q1가 충전된 개방 회로 전송 라인 근처의 최종 애벌랜치 트랜지스터 Q5로 과전압을 발생시킨다. Q5가 '온'이 될 때, 고속 상승 시간이 부하에서 생성되며(< 2ns), 따라서,
Figure pct00059
인 경우 충전된 개방 회로 송전 선이
Figure pct00060
의 폭 및
Figure pct00061
의 최대 진폭을 갖는 펄스를 생성하는 부하를 통해 방전될 수 있다. In use, the five stacked avalanche transistors are initially off-state, with each transistor having 300V across it (i.e.,
Figure pct00058
). When a positive trigger signal is applied to the base of the first transistor Q1, Q1 turns 'on' and brings its collector voltage close to ground potential. This causes the second transistor Q2 to have twice the collector-emitter voltage, thus creating a desirable state in terms of overvoltage, causing non-destructive avalanching of Q2 and bringing its collector close to ground potential. This creates a sequential 'knock-on' effect on the next transistor in the chain, causing an overvoltage to the last avalanche transistor Q5 near the open circuit transmission line where the first avalanche transistor Q1 is charged. When Q5 is 'on', a fast rise time is generated at the load (< 2ns), thus,
Figure pct00059
If a charged open circuit transmission line is
Figure pct00060
width of and
Figure pct00061
can be discharged through a load that generates a pulse with a maximum amplitude of

따라서 펄스 생성 회로(200)는 모노폴라 초단 전기장 펄스를 생성하도록 사용될 수 있다.Accordingly, the pulse generating circuit 200 may be used to generate a monopolar ultrashort electric field pulse.

도 6은 송전 선 길이의 범위에 대해 획득된 전압 펄스를 나타내는 그래프이다. 도 6에서, 송전 선 길이는 라인 딜레이

Figure pct00062
에 의해 특징지어진다. 그래프는 송전 선 길이가
Figure pct00063
의 펄스 폭을 결정하고, 즉, 5ns, 25ns, 50ns 및 100ns의 라인 딜레이를 갖는 송전 선이 각각 10ns, 50ns, 100ns 및 200ns의 펄스 폭을 생성함을 보여준다. 또한, 모든 4개의 펄스의 상승 시간이 2ns 이하인데, 이는 스위칭 요소, 즉, 5개의 애벌랜치 트랜지스터가 이 인자를 결정함을 강조한다. 6 is a graph showing voltage pulses obtained over a range of transmission line lengths. In Figure 6, the transmission line length is the line delay
Figure pct00062
characterized by The graph shows that the transmission line length is
Figure pct00063
Determine the pulse width of , i.e., show that a transmission line with line delays of 5 ns, 25 ns, 50 ns and 100 ns produces pulse widths of 10 ns, 50 ns, 100 ns, and 200 ns, respectively. Also, the rise times of all four pulses are less than 2 ns, highlighting that the switching element, i.e., the five avalanche transistors, determines this factor.

도 6의 그래프는, 일차 펄스보다 낮은 진폭의 이차 펄스가 각각의 신호에서 나타나기 때문에 50Ω 부하가 송전 선 특성 임피던스와 정합되지 않음을 암시한다. 이는 반사로 인한 비정합 부하, 즉,

Figure pct00064
를 암시한다. 본 발명자는 펄스 생성 회로를 최적화하기 위해 트랜지스터의 임피던스를 보상하는 것이 필요함을 밝혔다. 도 5에 나타난 예시에서, 각각의 개별 트랜지스터는 ~3Ω의 임피던스를 가진다. 따라서, 총 ~15Ω가 트랜지스터 적층에 걸쳐 있다. 따라서 반사 계수는 다음과 같이 표현될 수 있다 The graph of FIG. 6 suggests that the 50Ω load does not match the transmission line characteristic impedance because secondary pulses of lower amplitude than the primary pulses appear in each signal. This is a mismatched load due to reflection, i.e.
Figure pct00064
implies The inventors have found that it is necessary to compensate the impedance of the transistor in order to optimize the pulse generating circuit. In the example shown in Figure 5, each individual transistor has an impedance of ~3Ω. Thus, a total of ~15Ω spans the transistor stack. Therefore, the reflection coefficient can be expressed as

Figure pct00065
Figure pct00065

여기서,

Figure pct00066
는 회로의 총 임피던스이고
Figure pct00067
는 신호 애벌랜치 트랜지스터의 임피던스이다.here,
Figure pct00066
is the total impedance of the circuit
Figure pct00067
is the impedance of the signal avalanche transistor.

이는

Figure pct00068
=0.13일 때 도 6에서 도시된 펄스에서 반사가 관찰되고, 반사 펄스의 진폭이 일차 펄스의 ~13%임을 설명한다(
Figure pct00069
= 50Ω,
Figure pct00070
= (3Ω×5) = 15Ω 및
Figure pct00071
= 50Ω).
Figure pct00072
의 추가 임피던스가 또한 설계의 DC 구성요소에 영향을 미치며, 이는 다음과 같이 다시 써질 수 있다:this is
Figure pct00068
A reflection is observed in the pulse shown in Fig. 6 when =0.13, demonstrating that the amplitude of the reflection pulse is ~13% of the primary pulse (Fig.
Figure pct00069
= 50Ω,
Figure pct00070
= (3Ω×5) = 15Ω and
Figure pct00071
= 50Ω).
Figure pct00072
The additional impedance of also affects the DC component of the design, which can be rewritten as:

Figure pct00073
Figure pct00073

이를 고려하여, 부하의 임피던스

Figure pct00074
가 35Ω로 조정되었다. 이는 도 7에 도시된 바와 같이, 부하에서 반사가 0이고 이차 펄스가 없는 단일 모노폴라 펄스를 도출했다.Taking this into account, the impedance of the load
Figure pct00074
was adjusted to 35Ω. This resulted in a single monopolar pulse with zero reflection at the load and no secondary pulses, as shown in FIG. 7 .

도 4 및 5에서 앞서 나타낸 회로가 양의 모노폴라 펄스를 생성하도록 구성된다. 그러나 회로는 부하가 연결된 위치를 변경함으로써 음의 모노폴라 펄스를 생성하도록 더 구성될 수 있다. 도 8은 도 4의 회로(100)와 유사한 고속 스위칭 요소로서 애벌랜치 트랜지스터와 조합하여 개방 회로 송전 선 기법을 이용하는 펄스 생성 회로(150)의 개략도이다. 동축 송전 선이 방전될 때 전류가 도 4와 반대 방향으로 흐르도록 부하

Figure pct00075
가 연결된다는 점에서 도 8의 회로(150)는 도 4의 회로와 상이하다. 도 9는 본 발명의 하나의 실시예인 펄스 생성 회로(250)를 도시한다. 동축 송전 선이 방전될 때 전류가 도 5와 반대 방향으로 흐르도록 부하
Figure pct00076
가 연결되는 것을 제외하고, 펄스 생성 회로(250)는 도 5에서 나타난 회로와 유사하다. 도 10은 도 9에 도시된 회로(250)를 이용해 획득된 정합된 35Ω 부하를 갖고 관측된 음의 모노폴라 펄스의 그래프를 도시한다.The circuit previously shown in Figures 4 and 5 is configured to generate a positive monopolar pulse. However, the circuit may be further configured to generate a negative monopolar pulse by changing the location to which the load is connected. 8 is a schematic diagram of a pulse generation circuit 150 using an open circuit power transmission line technique in combination with an avalanche transistor as a fast switching element similar to circuit 100 of FIG. 4 . When the coaxial transmission line is discharged, load it so that the current flows in the opposite direction as in Fig.
Figure pct00075
The circuit 150 of FIG. 8 is different from the circuit of FIG. 4 in that is connected. 9 shows a pulse generation circuit 250, which is one embodiment of the present invention. When the coaxial transmission line is discharged, load it so that the current flows in the opposite direction as in Fig.
Figure pct00076
Except that is connected, the pulse generating circuit 250 is similar to the circuit shown in FIG. 5 . FIG. 10 shows a graph of negative monopolar pulses observed with a matched 35Ω load obtained using circuit 250 shown in FIG. 9 .

앞서 언급된 개념을 발전시키면, 펄스 생성 회로가 바이폴라 펄스 생성 회로로서 구성될 수 있다. 이러한 회로의 동작이 도 4 및 9의 모노폴라 설계와 동일할 수 있다. Developing the concept mentioned above, the pulse generating circuit can be configured as a bipolar pulse generating circuit. The operation of this circuit may be the same as the monopolar design of FIGS. 4 and 9 .

도 11a는 바이폴라 펄스 생성 회로(300)의 하나의 실시예인 펄스 생성 회로(300)의 개략도이다. 이는 펄스가 도 11a에서

Figure pct00077
Figure pct00078
로 마킹된 두 개의 개별 부하 상에서 생성되는 것을 제외하면, 도 4 및 9에 나타난 회로와 유사하다. 이들 부하 위치는 앞서 언급된 양 및 음의 펄스에 대한 위치에 대응한다.11A is a schematic diagram of a pulse generating circuit 300 that is one embodiment of the bipolar pulse generating circuit 300 . This means that the pulse is
Figure pct00077
and
Figure pct00078
Similar to the circuit shown in Figures 4 and 9, except that it is created on two separate loads marked with . These load positions correspond to the positions for the positive and negative pulses mentioned above.

Figure pct00079
양단의 전압 차이가 양의 펄스일 때 바이폴라 펄스 생성 회로(300)가 바이폴라 펄스를 생성하고, 이때
Figure pct00080
양단의 전압 차이가 음의 펄스를 생성한다. 회로(300)가 사용될 때, 이들 펄스가
Figure pct00081
Figure pct00082
에서 동시에 관측되고 대칭이다, 즉, 펄스 폭, 상승 시간, 진폭, 반복률이 동일하나 극성이 상이하다.
Figure pct00079
When the voltage difference between both ends is a positive pulse, the bipolar pulse generating circuit 300 generates a bipolar pulse, at this time
Figure pct00080
The voltage difference across both ends produces a negative pulse. When circuit 300 is used, these pulses
Figure pct00081
and
Figure pct00082
is observed simultaneously and is symmetric, i.e., the pulse width, rise time, amplitude, and repetition rate are the same, but the polarity is different.

이 회로 내에 두 개의 부하가 존재할 때, 반사를 감소시키기 위해 최적화 수식이 수정되어야 한다. 바이폴라 설계의 경우 총 부하 임피던스,

Figure pct00083
, 가 송전 선의 외부 전도체와 애벌랜치 트랜지스터 Q1의 이미터 간 임피던스이고
Figure pct00084
Figure pct00085
의 합 임피던스이다. 따라서 반사 계수는 송전 선 이론을 이용해 다음과 같이 표현될 수 있다:When there are two loads in this circuit, the optimization equation must be modified to reduce reflections. Total load impedance for bipolar designs,
Figure pct00083
, is the impedance between the outer conductor of the transmission line and the emitter of the avalanche transistor Q1,
Figure pct00084
Wow
Figure pct00085
is the sum impedance of Therefore, the reflection coefficient can be expressed using the transmission line theory as:

Figure pct00086
Figure pct00086

마찬가지로, 부하에 걸친 피크간 전압

Figure pct00087
이 DC 이론을 이용해 다음과 같이 표현될 수 있다:Similarly, peak-to-peak voltage across the load
Figure pct00087
Using this DC theory, it can be expressed as:

Figure pct00088
Figure pct00088

여기서,

Figure pct00089
Figure pct00090
는 각각 양의 펄스 및 음의 펄스의 진폭이다.here,
Figure pct00089
and
Figure pct00090
are the amplitudes of the positive and negative pulses, respectively.

상기의 내용으로부터, 17.5Ω의

Figure pct00091
Figure pct00092
값이 0 반사(
Figure pct00093
= 0), 및
Figure pct00094
의 동시 대칭 펄스 폭 및 상승 시간 <2ns을 갖는 단일 펄스의 바이폴라 펄스를 생성할 것이다. 달리 말하면, 바이폴라 펄스 생성 회로(300)가 2T의 펄스 폭 및 0 반사를 갖고,
Figure pct00095
를 가로질러 송전 선의 외부 전도체와 애벌랜치 트랜지스터 Q1의 이미터 간 진폭
Figure pct00096
의 단일 양의 펄스를 생성하도록 동작한다.From the above, 17.5Ω of
Figure pct00091
and
Figure pct00092
A value of 0 reflection (
Figure pct00093
= 0), and
Figure pct00094
will generate a single-pulse bipolar pulse with a simultaneous symmetric pulse width and rise time <2 ns. In other words, the bipolar pulse generation circuit 300 has a pulse width of 2T and zero reflection,
Figure pct00095
Amplitude between the outer conductor of the transmission line and the emitter of the avalanche transistor Q1 across
Figure pct00096
operates to generate a single positive pulse of

도 12a는

Figure pct00097
에서 관측된 펄스(310),
Figure pct00098
에서 관측된 펄스(312), 및
Figure pct00099
에서 관측된 펄스(314)를 보여주는 그래프이다. 이들 관측은 앞서 제공된 이론을 검증한다. 도 12a에서, 5ns 송전 선이 동일한 상승 시간(<2ns)을 갖는 모든 3개의 부하에서 10ns 펄스를 생성한다.
Figure pct00100
= 17.5Ω일 때, 반사가 없다, 즉12a is
Figure pct00097
Pulse 310 observed in
Figure pct00098
Pulse 312 observed in , and
Figure pct00099
It is a graph showing the pulse 314 observed in . These observations validate the theory presented previously. In Figure 12a, a 5 ns transmission line generates 10 ns pulses at all three loads with the same rise time (<2 ns).
Figure pct00100
= 17.5Ω, there is no reflection, i.e.

Figure pct00101
Figure pct00101

Figure pct00102
Figure pct00103
의 크기가 262.5V이며, 따라서 피크간 전압
Figure pct00104
이 520V이고, 이는 균등 모노폴라 설계와 동일하다.
Figure pct00102
and
Figure pct00103
is 262.5 V, so the peak-to-peak voltage
Figure pct00104
This is 520V, which is equivalent to an equivalent monopolar design.

도 11b는 본 발명의 또 다른 실시예인 바이폴라 펄스 생성 회로(350)의 개략도이다. 각각의 부하(

Figure pct00105
Figure pct00106
) 전에 딜레이 라인을 제공함으로써 도 11b의 회로는 도 11a와 상이하다. 하나 또는 둘 모두의 부하 전에 딜레이 라인을 배치함으로써 두 펄스 간 딜레이의 조작이 가능해진다. 딜레이된 펄스는 딜레이 시간에서 펄스 폭을 뺀 만큼 딜레이되지 않은 페어링된 펄스를 따를 것이다. 도 11b에서, 20ns 딜레이 라인은
Figure pct00107
전에 배치된다. 11B is a schematic diagram of a bipolar pulse generating circuit 350 that is another embodiment of the present invention. each load (
Figure pct00105
and
Figure pct00106
), the circuit of Fig. 11b differs from Fig. 11a by providing a delay line before. Placing the delay line before one or both loads allows manipulation of the delay between the two pulses. The delayed pulse will follow the undelayed paired pulse by the delay time minus the pulse width. In Figure 11b, the 20ns delay line is
Figure pct00107
placed before

도 12b는

Figure pct00108
에서 관측된 펄스(310),
Figure pct00109
에서 관측된 펄스(312), 및
Figure pct00110
에서 관측된 펄스(314)를 보여주는 도 12a와 유사한 그래프이다. 도 12b는 도 12b의 모든 세 개의 펄스로서 딜레이 라인을 도입하는 효과를 확인하며 이들 파라미터가 도 12a와 동일하다. 유일한 차이점은
Figure pct00111
를 가로지르는 음의 펄스가 10ns(즉, 20ns - 10ns)만큼 양의 펄스를 따른다는 것이다.12b is
Figure pct00108
Pulse 310 observed in
Figure pct00109
Pulse 312 observed in , and
Figure pct00110
A graph similar to FIG. 12A showing the observed pulse 314 at Fig. 12b confirms the effect of introducing a delay line as all three pulses of Fig. 12b, and these parameters are the same as Fig. 12a. the only difference is
Figure pct00111
That is, a negative pulse that crosses A is followed by a positive pulse by 10 ns (ie 20 ns - 10 ns).

따라서 본 명세서에서 언급된 바이폴라 펄스 생성 회로 구성이 다음을 생성할 수 있다:Thus, the bipolar pulse generation circuit configuration referred to herein may produce:

- 대칭 바이폴라 펄스로서, 양 및 음의 부분이 동시에 또는 순차적으로(즉, 차이나는 딜레이를 갖고) 생성됨- a symmetrical bipolar pulse, in which the positive and negative parts are generated simultaneously or sequentially (i.e. with different delays)

- RL+ 및 RL- 의 비에 의해 진폭이 제어되지만

Figure pct00112
조건이 충족되면 반사는 0으로 유지될 것이기 때문에, 0 반사 그러나 조정 가능한 및
Figure pct00113
Figure pct00114
진폭.- the amplitude is controlled by the ratio of R L+ and R L-
Figure pct00112
0 reflection but adjustable and
Figure pct00113
and
Figure pct00114
amplitude.

추가 형태에서, 딜레이 라인 중 하나 또는 둘 모두가 도입된 딜레이가 제어될 수 있게 하는 조정 가능한 길이를 가질 수 있다. 이는 양 및 음의 펄스의 간격이 그때 그때 조정될 수 있도록 하여, 기기가 다양한 전기천공 파형을 생성할 수 있게 할 수 있다.In a further aspect, one or both of the delay lines may have an adjustable length allowing the introduced delay to be controlled. This allows the spacing of the positive and negative pulses to be adjusted on the fly, allowing the instrument to generate a variety of electroporation waveforms.

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Claims (16)

전기수술 발전기를 위한 바이폴라 펄스 생성 회로로서, 상기 바이폴라 펄스 생성 회로는
스위칭 요소를 통해 부하로 연결 가능한 전압원,
유전체 물질에 의해 외부 전도체와 분리된 내부 전도체를 갖는 동축 송전 선 - 상기 내부 전도체는 스위칭 요소의 입력과 전압원 사이에 연결된 제1 단부 및 개방 회로 상태의 제2 단부를 가짐으로써, 동축 송전 선이 스위칭 요소가 오프(OFF) 상태일 때 전압원에 의해 충전되고 스위칭 요소가 온(ON) 상태일 때 방전됨 - ,
상기 부하로 연결 가능한 제1 출력 - 제1 출력은 스위칭 요소의 출력과 접지 사이에 위치하여 동축 송전 선이 방전될 때 양의 펄스를 지원함 - , 및
상기 부하로 연결 가능한 제2 출력 - 제2 출력은 동축 송전 선의 외부 전도체와 접지 사이에 위치하여 동축 송전 선이 방전될 때 음의 펄스를 지원함 - 을 포함하고,
동축 송전 선의 임피던스가 (i) 스위칭 요소의 임피던스, (ii) 제1 출력에서의 부하의 임피던스, 및 (iii) 제2 출력에서의 부하의 임피던스의 합과 정합되도록 구성되는, 바이폴라 펄스 생성 회로.
A bipolar pulse generating circuit for an electrosurgical generator, the bipolar pulse generating circuit comprising:
a voltage source connectable to the load via a switching element,
A coaxial transmission line having an inner conductor separated from an outer conductor by a dielectric material, the inner conductor having a first end connected between an input of a switching element and a voltage source and a second end in an open circuit condition, whereby the coaxial transmission line is switched Charged by the voltage source when the element is in the OFF state and discharged when the switching element is in the ON state - ,
a first output connectable to the load, the first output being positioned between the output of a switching element and ground to support a positive pulse when the coaxial transmission line is discharged; and
a second output connectable to the load, the second output being located between an outer conductor of the coaxial power line and ground to support a negative pulse when the coaxial power line is discharged;
and an impedance of the coaxial power transmission line is configured to match a sum of (i) an impedance of the switching element, (ii) an impedance of the load at the first output, and (iii) an impedance of the load at the second output.
제1항에 있어서, 딜레이 라인이 제1 출력 또는 제2 출력에 연결됨으로써, 제1 출력 및 제2 출력에서의 양의 펄스 및 음의 펄스의 공급이 순차적으로 발생하는, 바이폴라 펄스 생성 회로.2. The bipolar pulse generation circuit of claim 1, wherein a delay line is connected to the first output or the second output, whereby the supply of positive and negative pulses at the first output and the second output sequentially occurs. 제1항 또는 제2항에 있어서, 딜레이 라인은 조정 가능한 길이를 갖는, 바이폴라 펄스 생성 회로.3. The circuit of claim 1 or 2, wherein the delay line has an adjustable length. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 딜레이 라인은 다른 길이의 동축 송전 선인, 바이폴라 펄스 생성 회로.4. The circuit of claim 2 or 3, wherein the delay line is a coaxial power transmission line of different length. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위칭 요소는
복수의 직렬 연결된 애벌랜치 트랜지스터, 및
복수의 직렬 연결된 애벌랜치 트랜지스터를 활성화하기 위해 트리거 펄스를 생성하도록 구성된 트리거 펄스 생성기를 포함하는, 바이폴라 펄스 생성 회로.
5. The switching element according to any one of the preceding claims, wherein the switching element is
a plurality of series-connected avalanche transistors, and
A bipolar pulse generation circuit comprising a trigger pulse generator configured to generate a trigger pulse to activate a plurality of series-connected avalanche transistors.
제5항에 있어서, 상기 트리거 펄스 생성기는 TTL 디바이스를 포함하는, 바이폴라 펄스 생성 회로.6. The circuit of claim 5, wherein the trigger pulse generator comprises a TTL device. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 트리거 펄스는 복수의 애벌랜치 트랜지스터 각각의 이미터-베이스 항복 전압보다 낮은 전압을 갖는, 바이폴라 펄스 생성 회로.7. The circuit of claim 5 or claim 6, wherein the trigger pulse has a voltage lower than the emitter-base breakdown voltage of each of the plurality of avalanche transistors. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 트리거 펄스 생성기는 변압기를 통해 복수의 직렬 연결된 애벌랜치 트랜지스터에 연결되는, 바이폴라 펄스 생성 회로.8. A circuit according to any one of claims 5 to 7, wherein the trigger pulse generator is connected via a transformer to a plurality of series-connected avalanche transistors. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 트리거 펄스는 복수의 직렬 연결된 애벌랜치 트랜지스터 중 첫 번째 트랜지스터의 콜렉터와 이미터 사이에 인가되는, 바이폴라 펄스 생성 회로.9. The circuit of any one of claims 5 to 8, wherein the trigger pulse is applied between the collector and emitter of a first one of the plurality of series-connected avalanche transistors. 제9항에 있어서, 상기 첫 번째 트랜지스터는 동축 송전 선에서 가장 먼, 바이폴라 펄스 생성 회로.10. The circuit of claim 9, wherein the first transistor is furthest from the coaxial transmission line. 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 다이오드가 상기 복수의 직렬 연결된 애벌랜치 트랜지스터의 각각의 애벌랜치 트랜지스터와 병렬로 연결되어, 각각의 트랜지스터 양단의 전압을 이의 콜렉터-베이스 항복 전압보다 낮게 클램핑하는, 바이폴라 펄스 생성 회로.11. A diode as claimed in any of claims 5 to 10, wherein a diode is connected in parallel with each avalanche transistor of the plurality of series connected avalanche transistors to clamp the voltage across each transistor below its collector-base breakdown voltage. which is a bipolar pulse generating circuit. 제5항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 직렬 연결된 애벌랜치 트랜지스터 내 각각의 트랜지스터는 동일한, 바이폴라 펄스 생성 회로.12. The circuit of any of claims 5-11, wherein each transistor in the plurality of series-connected avalanche transistors is the same. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 동축 송전 선은 5ns 이하의 라인 딜레이를 제공하도록 선택된 길이를 갖는, 바이폴라 펄스 생성 회로.13. The circuit of any preceding claim, wherein the coaxial power transmission line has a length selected to provide a line delay of 5 ns or less. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 동축 송전 선은 저항기를 통해 전압원에 의해 충전되는, 바이폴라 펄스 생성 회로.14. A circuit according to any one of the preceding claims, wherein the coaxial power transmission line is charged by a voltage source through a resistor. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부하는 전기수술 기기인, 바이폴라 펄스 생성 회로.15. A circuit according to any one of the preceding claims, wherein the load is an electrosurgical instrument. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따르는 바이폴라 펄스 생성 회로를 갖는 전기수술 발전기.
An electrosurgical generator having a bipolar pulse generating circuit according to claim 1 .
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